Ядерний паливний цикл – це дуже складний комплекс операцій на підприємствах ядерної енергетики, таких як видобування і переробка руди, збагачення урану, приготування ядерного палива, фабрикація паливних елементів і збірок, переробка, зберігання і захоронення вигорілого палива, захоронення радіоактивних відходів.
Атомна електростанція (АЕС) – тільки невелика частина складного багатостадійного і надзвичайно розгалуженого паливо – енергетичного комплексу (ПЕК) найрізноманітніших виробництв. На АЕС паливо поступає вже у вигляді конструкційних вузлів – тепловиділяючі збірки (ТВЗ), готових до монтажу в активній зоні реактора.
Проте видобутий з руди уран, перед тим як потрапить в реактор, повинен послідовно пройти цілий ряд технологічних процесів на підприємствах, що входять до складу ПЕК. До них відносяться, наприклад, підприємства по видобутку урану, його переробку, транспортування і так далі.
Ядерний паливний цикл – це вся послідовність виробничих процесів, що повторюються, починаючи від вибодування палива і кінчаючи позбавленням від радіоактивних відходів. Залежно від виду ядерного палива і конкретних умов ядерні паливні цикли можуть розрізнятися в деталях, але їх загальна принципова схема зберігається.
Видобування руди
Початкова стадія паливного циклу – гірничодобувне виробництво, тобто уранова копальня, де добувається уранова руда. Середній вміст урану в земній корі досить великий і розцінюється як 2,5•10-4% по масі . Урану приблизно в 1000 разів більше, ніж золото і в 30 разів більш ніж срібло. Уранові руди відрізняються винятковою різноманітністю складу. В більшості випадків уран в рудах представлений не одним, а декількома мінеральними утвореннямі. Відомо близько 200 уранових і урановмісних мінералів.
Добування уранової руди, також як і інших корисних копалини, здійснюється в основному або шахтним, або кар’єрним способом залежно від глибини залягання пластів. Останніми роками почали застосовуватися методи підземного вилуговування, що дозволяють виключити виїмку руди на поверхню і проводити витягання урану з руд прямо на місці їх залягання.
Починаючи з видобування урану, ядерний паливний цикл справляє колосальний вплив на ландшафт і екосистеми. Уранові шахти, як відкриті, так і підземні, порушують природну рівновагу, залишаючи глибокі рани на поверхні Землі. Методи підземного вилуговування, хоча і дозволяють уникнути видобування руди на поверхню, все одно призводять до забруднення ґрунтів і водних ресурсів радіоактивними та токсичними речовинами. Ці забруднення можуть проникати в підземні водоносні горизонти, що створює загрозу для навколишнього середовища на багато років вперед.
Переробка
Уранова руда, що добувається з землі, містить рудні мінерали і пусту породу. Подальше завдання полягає в тому, щоб руду переробити – відокремити корисні мінерали від пустої породи і отримати хімічні концентрати урану. Обов’язкові стадії при отриманні уранових хімічних концентратів – подрібнення початкової руди, вилуговування (переведення урану з руди в розчин). Дуже часто перед вилуговуванням руду збагачують – різними фізичними методами збільшують зміст урану.
Викиди в атмосферу і водні об’єкти під час цих процесів можуть містити радіоактивні і токсичні компоненти, що здатні завдати непоправної шкоди флорі і фауні, а також здоров’ю людей.
Аффінаж
На всіх етапах переробки уранових руд відбувається певне очищення урану від супутніх йому домішок. Проте повного очищення досягти не вдається. Деякі концентрати містять всього 60 – 80%, інші 95 – 96% оксиду урану, а решта – різні домішки. Такий уран не придатний як ядерне паливо. Наступна обов’язкова стадія ядерного паливного циклу – аффінаж, на якому завершується очищення сполук урану від домішок і особливо від елементів, що володіють великим перетином захоплення нейтронів (гафній, бор, кадмій і так далі).
Аффінаж урану, що передбачає його очищення від домішок, створює додаткові відходи, які потребують вартісного зберігання і утилізації. Небезпека полягає у великому перетині захоплення нейтронів деякими елементами, що залишаються в процесі аффінажу, такими як гафній, бор і кадмій.
Збагачення урану
Сучасна ядерна енергетика з реакторами на теплових нейтронах базуються на низькозбагаченому (2 – 5%) урановому паливі. У реакторі на швидких нейтронах використовується уран з значно більшим змістом урану-235 (до 93%). Отже перш ніж виготовляти паливо природний уран, що містить тільки 0,72% урану-235, необхідно збагатити отриманий концентрат, тобто розділити ізотопи урану-235 і урану-238. Хімічні реакції дуже малочутливі до атомної маси реагуючих елементів. Тому вони не можуть бути використані для збагачення урану; необхідні фізичні методи розділення ізотопів. Основним промисловим методом виробництва збагаченого урану є газодифузійний. Також існує відцентровий метод, заснований на використанні високошвидкісних газових центрофуг.
Виготовлення палива
Збагачений уран служить початковою сировиною для виготовлення палива ядерних реакторів. Ядерне паливо застосовується в реакторах у вигляді металів, сплавів оксидів карбідів, нітриду і інших паливних композицій, яким додається певна конструкційна форма. Конструкційною основою ядерного палива в реакторі є тепловиділяючий елемент – ТВЕЛ, що складається з паливного матеріалу (наприклад, оксиду урану) і оболонки, яка ізолює паливо від охолоджувача і захищає його від корозії. ТВЕЛи збираються в тепловиділяючі збірки (ТВЗ), які потім встановлюються в активну зону реактора. Конструкція і матеріали, що використовуються для виготовлення ТВЕЛів і ТВЗ, повинні забезпечувати високу ефективність і надійність роботи в умовах високих температур, радіаційного опромінення та хімічних впливів протягом всього терміну експлуатації. Небезпека полягає у великому перетині захоплення нейтронів деякими елементами, що залишаються в процесі аффінажу, такими як гафній, бор і кадмій.
Переробка вигорілого палива
Після використання в реакторі ядерне паливо не повністю втрачає свої властивості, і в ньому залишаються значні кількості плутонію та інших трансуранових елементів, які можуть бути використані повторно. Переробка вигорілого палива дозволяє витягнути ці компоненти і підготувати залишки до безпечного зберігання або захоронення. Процес переробки включає механічне подрібнення паливних елементів, розчинення в кислоті, відділення плутонію і урану від радіоактивних відходів, і подальше очищення. Однак, цей процес генерує високоактивні відходи, які містять трансуранові елементи і радіоактивні ізотопи з тривалим періодом напіврозпаду.
Захоронення радіоактивних відходів
Відходи, що залишаються після переробки вигорілого палива, містять високоактивні і довгоіснуючі радіонукліди, що вимагають спеціального підходу до їх захоронення. Відходи упаковують у спеціальні контейнери і зберігають у геологічних сховищах, які мають забезпечувати ізоляцію від навколишнього середовища на тривалий термін. Важливою складовою цього етапу є розробка і впровадження нових технологій, які дозволять зменшити об’єми відходів і підвищити безпеку їх зберігання.
Таким чином, весь ядерний паливний цикл, починаючи з видобування урану і закінчуючи захороненням радіоактивних відходів, залишає значний екологічний слід. Він потребує надзвичайно відповідального підходу, суворого дотримання заходів безпеки і постійного моніторингу, щоб мінімізувати негативний вплив на навколишнє середовище і здоров’я людини. Масштабність і довготерміновість цього впливу важко переоцінити, адже радіоактивні відходи залишаються небезпечними протягом тисячоліть, і забезпечення їхньої безпеки лягає важким тягарем на плечі не одного покоління, тоді як “дешева” атомна енергія вже використана і не принесе нового прибутку.
